特許 6186502 湿気密閉電子モジュールを備えた産業プロセスフィールド機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6186502

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】湿気密閉電子モジュールを備えた産業プロセスフィールド機器

(51)【国際特許分類】

   G01D 11/24 20060101AFI20170814BHJP

   G01D 21/00 20060101ALI20170814BHJP

【ＦＩ】

   G01D11/24 B

   G01D21/00 G

【請求項の数】23

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-516977(P2016-516977)

(86)(22)【出願日】2014年8月5日

(65)【公表番号】特表2016-537615(P2016-537615A)

(43)【公表日】2016年12月1日

(86)【国際出願番号】US2014049710

(87)【国際公開番号】WO2015047546

(87)【国際公開日】20150402

【審査請求日】2016年4月19日

(31)【優先権主張番号】14/036,787

(32)【優先日】2013年9月25日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】597115727

【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100092772

【弁理士】

【氏名又は名称】阪本 清孝

(74)【代理人】

【識別番号】100119688

【弁理士】

【氏名又は名称】田邉 壽二

(72)【発明者】

【氏名】ノーマン，カーステン，ニコル

(72)【発明者】

【氏名】ペロー，アーロン，アンドリュー

(72)【発明者】

【氏名】ラッド，ジェイソン，ハロルド

(72)【発明者】

【氏名】ホルムスタッド，クラレンス，エドワード

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５３０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０００−５１３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５６５６７８２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ １１／２４

Ｇ０１Ｄ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

産業プロセスに用いられるフィールド機器において、
内部に空洞を有するハウジングと、
その内部に形成された第１コンパートメントを有し、前記空洞内に収容されてシールボードを有し、前記シールボードが、前記第１コンパートメントをハウジング内で第２コンパートメントから分離して、その間にシールを形成する湿気密閉電子モジュールと、
前記第１コンパートメント内で前記シールボードに取り付けられた第１電子部品と、
前記第２コンパートメント内で前記第１電子部品と電気的に接続された第２電子部品とを含み、
前記湿気密閉電子モジュールが前記ハウジング内を第２コンパートメントと第３コンパートメントとに分離し、第１コンパートメントが第２コンパートメント及び第３コンパートメントに対してシールされ、第２コンパートメントが更に第３コンパートメントに対してシールされたことを特徴とするフィールド機器。

【請求項2】

前記湿気密閉電子モジュールが第３電子部品を実装する第２シールボードを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項3】

前記湿気密閉電子モジュールが側壁を備え、前記シールボードが前記側壁に対してシールされたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項4】

前記湿気密閉電子モジュールが前記シールボードとは反対側で前記側壁にシールされる第２シールボードを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項5】

前記側壁が金属から構成されたことを特徴とする請求項３に記載のフィールド機器。

【請求項6】

前記金属がアルミニウム合金から構成されたことを特徴とする請求項５に記載のフィールド機器。

【請求項7】

前記シールボードが多層化されたプリント回路ボードから構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項8】

前記シールボードが少なくとも２つの金属層を備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項9】

前記金属層の少なくとも２つが銅から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項10】

前記第１電子部品がプロセス変数測定回路から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項11】

前記第１電子部品が通信回路から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項12】

前記第２電子部品が通信回路から構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項13】

前記湿気密閉電子モジュールが前記ハウジングの壁に取り付けたフランジを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項14】

前記湿気密閉電子モジュールが前記ハウジングを前記第２コンパートメントと第３コンパートメントとに分けることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項15】

前記第３コンパートメントがプロセス制御ループ接続を備えたことを特徴とする請求項１４に記載のフィールド機器。

【請求項16】

前記第３コンパートメントがプロセス変数センサー接続を備えたことを特徴とする請求項１４に記載のフィールド機器。

【請求項17】

前記シールボードが前記側壁に半田付けされたことを特徴とする請求項３に記載のフィールド機器。

【請求項18】

前記シールボードが前記ハウジングの内壁に密着されたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項19】

前記シールボードが前記ハウジングの内部リングに取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項20】

前記ハウジングの前記内壁に密着された第２シールボードを備え、前記第１コンパートメントが前記シールボードと前記第２シールボードとの間に形成されたことを特徴とする請求項１８に記載のフィールド機器。

【請求項21】

前記湿気密閉電子モジュールの前記第１コンパートメントが前記ハウジング内に限定されたことを特徴とする請求項１８に記載のフィールド機器。

【請求項22】

前記湿気密閉電子モジュールが円筒形であることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【請求項23】

前記第１電子部品と電気的に結合し、前記シールボードを通って延設された電子ビアを備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は産業プロセスに関する。特に、産業プロセスの監視又は制御において用いられる産業プロセスフィールド機器に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばプロセス変数送信機やコントローラといったフィールド機器は、産業プロセスにおいて用いられ、現場のパイプライン、タンク、その他産業プロセス装置に配置できる。プロセス変数送信機は、プロセス流体温度、圧力、流量、伝導率、pH等のプロセス変数を検知する。別タイプの産業プロセスフィールド機器には、バルブ、アクチュエータ、フィールドコントローラ、データ表示器、および産業分野のネットワーク・ブリッジのような通信機器が含まれる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

多くの産業プロセス環境には湿気や湿りが存在する。湿気や湿りはフィールド機器のハウジングに入り込み、電子回路にダメージを与え、あるいは劣化させる。或るケースでは、電子回路内に入り込んだ湿気は即時性（time-critical）が要求される電気通信に影響を及ぼし、これによって測定やコントロールの精度が狂う要因となる。デンドライトが生成されることで、電気部品間に不要な電流路が作り出されるおそれもある。例えばオプトカプラや電圧基準といったフィールド機器の機能に必須の電子部品は、特に湿気に影響されやすい。

【課題を解決するための手段】

【0004】

産業プロセスに用いられるフィールド機器は、その内部に空洞を有するハウジングを備える。湿気密閉電子モジュールは第１コンパートメントを含み、その空洞に配置される。湿気密閉電子モジュールはシールボードを備える。シールボードは湿気密閉電子モジュールの第１コンパートメントをハウジング内において第２コンパートメントから切り離す。第１コンパートメントの第１電子部品はシールボードに取り付けられ、第２コンパートメントの第２電子部品は第１電子部品と電気的に接続される。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】湿気密閉電子モジュールを有するプロセス変数送信機を備える産業プロセスの制御又は監視システムの一実施態様を示す簡略図である。

【図2】湿気密閉電子モジュールの一実施形態を示す垂直断面図である。

【図3A】湿気密閉電子モジュールの一実施態様を示す水平断面図である。

【図3B】図３Ａの湿気密閉電子モジュールの垂直断面図である。

【図4】湿気密閉電子モジュールの別の実施態様を示す垂直断面図である。

【図5】フィールド機器ハウジング内の湿気密閉電子モジュールの別の実施態様を示す垂直断面図である。

【図6】フィールド機器ハウジング内に取り付けられた図４の湿気密閉電子モジュールの垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

背景技術で述べたように、湿気はフィールド機器内に入り込み、電子回路の動作を阻害するおそれがある。以下の実施例では、「リスクのある」電子部品用の、湿気密閉電子モジュールを備える産業プロセスフィールド機器を説明する。密閉されたモジュールは、リスクのある電子部品を、フィールド機器のハウジング内に入り込む湿気や湿りから保護する。

【0007】

図１は、産業プロセスにおいてプロセス流体を監視し、制御するために用いられる産業プロセスの制御又は監視システム１００を示す簡略図である。多くのフィールド機器が全プロセスに渡って配置され、プロセス変数を測定、又は制御するために用いられる。図１は、検知されたプロセス変数を中央配置制御室１０４に返信するプロセス変数送信機１０２の一つの実施態様である。プロセス変数を送信するために、有線及び無線通信を含む様々な技術が使われている。一つの一般的な有線通信技術として、アナログ及び／又はデジタル情報を伝達し、オプションで送信機１０２へ電力を供給するために、シングルペアのワイヤを用いる二線式プロセス制御ループ１０６が知られている。例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）を備えるラジオ周波数通信技術のような無線プロトコルが実装されることもある。

【0008】

プロセス変数送信機１０２はプローブ１０９を備える。プローブ１０９はプロセス配管１０８まで延設され、プロセス流体のプロセス変数を測定するように設定されている。プロセス変数としては、例えば温度、圧力、流量、レベル、pH、伝導率、濁度、密度、濃度、化学成分等が挙げられる。プロセス変数送信機１０２は、第１開口１１４から第２開口１１６まで延設された空洞１１２を内含するハウジング１１０を備える。開口１１４、１１６は円形で、それぞれエンドキャップ１１８、１２０で密閉される。電気部品（回路）１２２、１２４は、空洞１１２に配置される。

【0009】

上記したように、多くの産業プロセスの環境下では、湿気や湿りはフィールド機器のハウジング内に入り込み、電子回路の動作にダメージを与え、その障害となる。電子回路に侵入した湿気は、即時性が要求される電気通信に影響を及ぼし、測定やコントロールの精度が狂う要因となることがある。極端なケースでは、デントライトが生成されて電気部品の間に不要な電流路が作り出されるおそれがある。

【0010】

図１に示したように、ハウジング１１０内の空洞１１２は、電子部品１２４を湿気や湿りから保護する内側湿気密閉容器（電子モジュール）１２６を備える。モジュール１２６内にリスクのある電子部品を置くことによって、製品の信頼性が高まり、耐用性が長くなる。湿気密閉容器１２６は、空洞１１２内をコンパートメント１２８、１３０に分け、それぞれには開口１１４、１１６を通じてアクセスすることができる。電子部品１２２は電子部品１２４と共にプロセス変数送信機１０２の測定電子回路を形成する。測定電子回路１２２、１２４は、プロセス変数センサー１３６からプロセス送信機変数を受信して出力するように構成される。電気接続１３２がターミナル１３４に接続されることによって測定回路１２２、１２４がループ１０６に電気的に接続される。一の実施態様において、プロセス変数センサー１３６は温度センサーを包含する。温度センサー１３６は、温度抵抗素子または別の最適な温度センサーにもなりうる。リード線１３８はターミナル１４０を経由してセンサー１３６を電子回路１２２、１２４に接続する。そのような実施態様において、電子回路１２４は例えば、電圧調整型の電流源を備えることができ、電子回路１２２は、電圧測定、ループ通信、制御機能を行うように設定されているマイクロプロセッサーと別の回路を一つ以上備えることができる。図１では、一対のリード線１３８のみが示されているが、多くのリード線がセンサー１３６を電子回路１２２、１２４に結合させるのに用いられる。さらに、デバイス１０２がコントローラであるならば、符号１３６はプロセス変数を制御するのに用いられる制御要素を表すことができる。

【0011】

発明の具体的な実施例において、密閉式電子モジュール１２６は、フィールド装置の複数のタイプまたは設定に共通の電気部品を実装することができる。このような設定によれば、フィールド機器は特定用途向けの回路や装置１２２をモジュール１２６内のフィールド機器共通回路や電子回路１２４に接続することによって簡単にカスタマイズできる。これによって、フィールド機器の製造に際して要求されるカスタマイズの量が削減され、製造時間を短縮でき、機器の保守が改善される。たとえば、ＲＴＤセンサーで温度を測定するのに用いられる測定回路はモジュール１２６に収容される。同じモジュールは、４−２０ｍＡの直流電流出力、ＨＡＲＴ（登録商標）出力、ローカル・オペレーター出力、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）出力等を有する送信機に用いることができる。デバイス１００をカスタマイズするために、特定の通信回路をエレクトロニクス１２２に実装し、単にモジュール１２６に接続することができる。さらに、異なる通信技術を実装するのに用いられる様々な回路間で共用できる回路部品がある。このような共用できる通信回路はモジュール１２６に実装されるようにしても良い。さらに、モジュール１２６は複数の設定で用いられるように、追加の（特別な）回路を含んでも良い。このような実施形態では、モジュール１２６の回路のいくつかが特定の用途では用いられないかもしれない。しかし、これによって一つのモジュール設計を複数の用途に用いられるようになり、デバイス１０２を製造するときに必要とされるカスタマイズの量を削減できる。図１には、電子機器１２２を電子機器１２４に電気的に接続するためにモジュール１２６に配置されるマルチピン電気コネクター又はプラグ１４４が示されている。

【0012】

別の実施例において、密閉された電子モジュール１２６はデバイス１０２のハウジング１１０内に第３コンパートメント１４６を備える。このような設定において、コンパートメント１３０が安全基準を満たすように、容器１２６はハウジング１１０に密閉されることができる。このような設計においては、コンパートメント１２８は、デバイス１０２をループ１０６又はセンサー１３６に結合させるために、サービスマンによって簡単にアクセスできる。コンパートメント１３０は安全基準に則って電子機器１２２を内蔵することができる。コンパートメント１４６は湿気や湿りから保護されている、危険にさらされる部品のために第３コンパートメントを提供する。

【0013】

図２は、湿気密閉電子モジュール２００の一つの実施形態を示す垂直断面図である。モジュール２００は円筒形で、図１のフィールド機器ハウジング１１０内に収まるように設定されている。モジュール２００は、底面２０２、上面２０４およびその間に延びた側壁２０６から構成される。モジュール２００の内部２０５は空洞になっていて、電気部品２０８を一つ以上備える。

【0014】

上面２０４及び／又は底面２０２は、部品２０８が取り付けられているシールボード（例えば、回路カード又はプリント配線板）２１０を包含することができる。シールボード２１０は多層化され、そのうちの少なくとも一つの層は、湿気がシールボード２１０を透過することを防止する物質で形作られている。シールボードは側壁２０６に密着結合されている。シールボード（シールボードのための最適材料を含む）に関する詳細は、下記の図３及び図４に示される。

【0015】

側壁２０６は内部２０５に湿気が付着することをブロックする金属又は別の最適材料から作られる。いくつかの実施例では、側壁２０６はシールボード２１０に密閉される開口端に空洞の円柱を形成する。上面２０４に電子機器を実装しないのならば、上面は側壁２０６と同じであるか或いは別の材料から成り、側壁２０６と一体として形成される。一般に、モジュール２００は少なくとも１枚のシールボード２１０を含み、電子部本２０８に対して密閉された筐体２０５を提供する。

【0016】

図３Ａおよび図３Ｂは、シングルシールボード３０２を有する湿気密閉電子モジュール３００の別の実施態様を示す水平断面図と垂直断面図である。シールボード３０２には筺体３０５によって密閉された搭載電気部品３０４が載置される。部品３０４は、例えばプラスチック容器のような密閉性の低い低価格の部品から成る。筺体３０５は、湿気や湿りを防御できる金属の筺体であっても良い。ボード３０２は円形であるか或いは所望の他の形状である。ボード３０２は上面３０６と底面３０８を備える。一つの実施態様において、上面３０６は銅のような金属メッキ３１０の第１層を備え、また、第１層３１０上に銅のような金属メッキ３１２の第２層をも備えることができる。ボード３０２は、さらに別の金属層を含む薄層を備えても良い。図３Ａで示されるソルダーマスク３１４は層３１０上に露出される。領域３１５，３１７はソルダーレジスト３１４に設けられた開口部であり、領域３１９は銅メッキ３１０に設けられた開口部である。

【0017】

図３Ａでは、電気部品３０４は、それぞれ領域３１９、３１７においてボード３０２に電気的に接続されるカソード３１６およびアノード３１８を有するダイオードを含む基準電圧装置として例示される。アノード３１８は層３１０に接続する。領域３１５は、銅メッキの開口部を減らすためにアノード３１８に電気的に短絡される。領域３１５、３１７、３１９は、部品３０４のピンに半田付けされることができる。分離された配線３２０およびビア３２１は、層３１２を通ってボード３０２の底面３０８のプラグ３２４にカソード３１６を接続する。層３１２はカソード３１６と共通であって、層３１０と同一の形状および直径である。ビア３２１は層３１０に電気的に接続されることによって、ビア３２１を介したあらゆる電位の漏れを防ぐ。

【0018】

モジュール３００の組立てにおいて、部品３０４は標準的な生産の一部としてボード３０２に取り付けられる。第２の工程では筺体３０５は部品３０４を覆うように載置される。筺体３０５は半田３２８によって層３１０の周縁に取り付けられる。この工程の間、ビア３２１の穴は開口状態を維持されるので、筺体３０５の空洞の換気が可能となり、半田付け工程において半田が空洞に引きずり込まれることを防いでいる。この最後の工程において、底面３０８にプラグ３２４を半田付けすることによって空洞は密閉される。

【0019】

図３Ａと図３Ｂに示される実施例の設計が、ボード３０２の材料と銅−ラミネートとの気密部分に依ることに留意する必要がある。最適な湿気密閉を保つためには最適な品質の薄層を選択することが重要である。あらゆる電位漏れ経路を最小限に抑えるために、ボードにおける銅の表面へのラミネートを十分に大きくし、ビアホールへの電位漏れ経路を最小化しなければならない。

【0020】

いくつかの実施例では、ボードのビアを貫通するビア３２１の代わりに、ボード３０２の上面３０６だけに露出して底面３０８まで達していないブラインドビアであっても良い。このような実施例では、半田付け工程中における通気（放出）のためにホールが筺体３０５に開けられ、プロセス完成後は半田で閉じられる。

【0021】

図４は、２枚のシールボード４１６、４２０を備える湿気密閉電子モジュール４００の別の実施態様を示す垂直断面図である。モジュール４００は空洞のシリンダー４０２を備え、シリンダーはそれぞれ上面開口端４０８と底面開口端４１０を有する上面開口端４０４と底面開口端４０６を備える。実施例において、シリンダー４０２はアルミニウム合金から生成されでも良いし、更にスズでコーティングされても良い。シリンダー４０２はまた、湿気や湿りを防ぐ他のいかなる適正材料或いは複数の材料の組み合わせから個性恋性されても良い。

【0022】

プリント配線アセンブリ４１２、４１４は、モジュール４００の端部４０６、４０４にそれぞれ配置される。プリント配線アセンブリ４１２は、シールボード４１６と追加で電気部品４１８を備える。同様に、プリント配線アセンブリ４１４はシールボード４２０と追加で電気部品４２２を備える。いくつかの実施例では、ボード４１６、４２０はモジュール４０から入り込む湿気を遮断するために銅のような金属層を一つ以上含む。図４に示される実施例において、ボード４１６、４２０は、各々２枚の銅の層４２４から成る。シリンダー４０２の縁は、ボード４１６、４２０をフランジ４０８、４１０に結合することによって密閉される。モジュール４００は、図６で示すようにフランジ４１０に沿ってプロセス装置のハウジングに取り付けられる。

【0023】

図５は、機器１０２のハウジング１１０に取り付けられた湿気密閉電子モジュール５００のもう一つの実施態様を示す横断面図である。図４のような分離シリンダー４０２を使用する代わりに、モジュール５００は機器１０２のハウジング１１０を用いる。具体的には、５２２のような電気部品用の筺体としてのフィールド機器ハウジング１０２の内部円筒形リング５０２である。シールボード５１６、５２０は、半田で円筒形リング５０２の反対側に密閉して結合される。電気部品５２２はボード５２０に取り付けられる。別の設定では、ボード５１６、５２０はＯリング５２４によってハウジング１１０に密閉されて、ネジ、接着剤等によって適所に固定される。別の実施例では、部品５２４は、ボード５１６、５２０をＯリング５０２に封止する溶接又は半田から構成される。モジュール５００は図４の４０２のような分離円筒形筺体である必要がない。別の設定例として、部品５１６、５２０の１つはハウジング１０２と一体型の内部隔壁である。

【0024】

図６は、ハウジング１０２の円筒型リング５０２に取り付けられた図４の４００のような湿気密閉電子モジュールの断面図である。この実施例では、シリンダー４０２のボトムエンドフランジ４１０はネジのような複数のファスナー６０２を用いて円筒形リング５０２に結合される。他には半田や接着剤等の取り付け技術が用いられる。追加的に、ボトムエンドフランジ４１０と円筒形リング５０２の間にＯリング（図示せず）が配置される。

【0025】

本願発明においては好ましい実施形態を説明してきたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部に変更を加えうることを理解されたい。例えば、別タイプの材料又は層が湿気密閉モジュールの製造に用いられるかもしれない、最適技術を用いることによって様々な部品が結合され、半田付けされることができる。シールは特にここで述べる以外の技術を使用して形成されるかもしれない。プロセス変数送信機が示されているが、ここにおいて議論、提示されたフィールド機器はコントローラ、設定或いは診断装置、通信デバイス等のどんなタイプのフィールド機器でもありえる。

【符号の説明】

【0026】

１１０…ハウジング、１１２…空洞、１２６…湿気密閉電子モジュール、２００…湿気密閉電子モジュール、３００…湿気密閉電子モジュール、４００…湿気密閉電子モジュール、２０６…側壁

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】